一種複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝及製作工藝的製作方法

2023-12-04 08:02:16

本發明屬於複合材料熱壓罐成型工藝技術領域，具體地，涉及一種複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝，以及利用該成型工裝製作梁模具組件的工藝。

背景技術：

熱壓罐(hotairautoelave或簡寫atitoelave)是一種針對聚合物基複合材料成型工藝特點的工藝設備，使用這種設備進行成型工藝的方法叫熱壓罐成型法。熱壓罐成型法是製造連續纖維增強熱固性複合材料製件的主要方法，目前廣泛應用於先進複合材料結構、蜂窩夾層結構及金屬或複合材料膠接結構的成型。材料成型時，利用熱壓罐內同時提供的均勻溫度和均布壓力而固化，所以可得到表面與內部質量高，形狀複雜，面積巨大的複合材料製件。

熱壓罐成型法是目前國內外廣泛採用的工藝方法之一，主要用於大尺寸、外形較複雜的航空、航天frp構件的製造，如蒙皮件、梁、框、各種壁板件、地板及整流罩。熱壓罐成型法的基本原理是：將預浸料按鋪層要求鋪放於模具上，並密封在真空袋中後放入熱壓罐中，經過熱壓罐設備加溫、加壓，完成材料固化反應，使預浸料坯件成為所需形狀和滿足質量要求的構件的工藝方法。

碳纖維增強樹脂基複合材料具有比強度和比模量高以及可設計性強和易於整體成型等優勢，因此在航空領域有廣泛應用，尤其是在民用飛機方面。複合材料成型技術很多，預浸料-熱壓罐工藝以其優異的產品質量佔據著重要位置，有共固化，共膠結，二次膠結等方式。

目前在國內外軍民機項目中所採用的複合材料盒段結構件通常採用以下幾種方式製造：

1、複合材料蒙皮與梁零件單獨製造後通過裝配連接成盒段；

2、rtm工藝；

3、橡膠氣囊成型工藝。

以上三種工藝方法中，第1種方法採用膠接工裝，盒段的蒙皮與梁零件定位誤差大，不能保證梁高度和上下蒙皮的平行度，而且製造周期長，成本大。第2種方法和第3種方法為整體共固化成型，雖然縮短了周期，降低了成本，但是無法保證零件的成型質量。第2種方法對樹脂流動性要求很高，只能適用於特定的樹脂體系，並且成型的製件樹脂含膠量較高且不穩定，不能用於飛機的承力盒段結構。第3種方法採用橡膠氣囊膨脹加壓，由於氣囊在型腔內，導致整個製件和模具的溫度均勻性較差，且存在橡膠老化、膨脹量計算困難等問題，容易造成加壓不均，從而引起位置偏移、彎曲變形等問題，整體盒段質量得不到保障。

技術實現要素：

本發明的目的在於：針對現有技術的成型質量差的問題，提供一種複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝及製作工藝；該成型工裝及製作工藝在現有的多次固化再裝配工藝的基礎上，所製作的梁模具組件能夠實現多梁盒段一次共固化成型，並能夠保障成型質量。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝，包括外側軟模成型工裝和內側軟模成型工裝，所述外側軟模成型工裝為一u型槽體；所述內側軟模成型工裝為一由兩個u型槽體組合而成的筒體。

由於梁模具組件為剛性型板與柔性型板的結合，而柔性型板則需要藉助成型工裝才能成型，並與剛性型板粘結結合；因此，必須要藉助上述成型工裝來完成梁模具組件的製作。

作為優選方案，所述外側軟模成型工裝的兩端設置有外側軟模限位塊。用於將剛性板限制在合適位置，精確操作。

作為優選方案，所述內側軟模成型工裝包括內側軟模成型工裝上模體和內側軟模成型工裝下模體，所述內側軟模成型工裝上模體和內側軟模成型工裝下模體均為u型槽體，兩者通過設置在側邊的定位塊組合成一筒體。分體式設置方便鋪疊柔性型板中預浸料的操作。

進一步地，所述內側軟模成型工裝上模體和內側軟模成型工裝下模體的兩端分別設置有內側軟模限位塊。用於將剛性板限制在合適位置，精確操作。

進一步地，所述內側軟模成型工裝上模體的上部設置有內側軟模吊裝板和內側軟模轉軸。吊裝板用於吊裝，轉軸用於翻轉。

進一步地，所述內側軟模成型工裝上模體的兩端還設置有剛型板固定耳。固定耳用於固定剛型板。

利用上述的複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝的梁模具組件製作工藝，包括帶剛性型板的外側梁模的製作步驟：

a1.1、製作一剛型板，所述剛型板與其預成型的梁的輪廓相同；

a1.2、取一外側軟模成型工裝，其槽底與所述剛型板的輪廓相同；

a1.3、將所述剛型板放置在所述外側軟模成型工裝的槽底，並在所述外側軟模成型工裝的槽壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板，且所述柔性型板與所述剛型板的兩側分別連接；

a1.4、將剛型板與橡膠夾預浸料柔性型板一起進行固化、再脫模處理，得到帶剛型板外側軟模。

在固化過程中，由於受熱，橡膠表面輕微軟化，會粘結到剛型板的側邊上，進而達到一體成型的目的。另外，預浸料也固化，與剛型板一起形成了一個剛性型板與柔性型板相結合的軟模。

利用上述的複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝的梁模具組件製作工藝，包括內側梁模的製作步驟：

a2.1、製作一剛型板，所述剛型板與其預成型的梁的輪廓相同；

a2.2、取一內側軟模成型工裝，其中一個u型槽體的槽底與所述剛型板的輪廓相同；

a2.3、將所述剛型板放置在與其輪廓相同的槽底，並在所述內側軟模成型工裝的其餘內筒壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板，且所述柔性型板與所述剛型板的兩側分別連接；

a2.4、將剛型板與橡膠夾預浸料柔性型板一起進行固化、再脫模處理，得到內側軟模。

在固化過程中，由於受熱，橡膠表面輕微軟化，會粘結到剛型板的側邊上，進而達到一體成型的目的。另外，預浸料也固化，與剛型板一起形成了一個剛性型板與柔性型板相結合的軟模。

利用上述的複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝的梁模具組件製作工藝，包括不帶剛性型板的外側梁模的製作步驟：

a3.1、取一外側軟模成型工裝，其槽底與其預成型的梁的輪廓相同；

a3.2、在所述外側軟模成型工裝的槽底及槽壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板；

a3.3、將橡膠夾預浸料柔性型板進行固化、再脫模處理，得到不帶剛型板外側軟模。

預浸料在固化後，形成了一個全部為柔性材料的軟磨。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明相對於現有技術的有益效果是：

1、本發明所製作的梁模具組件實現了複合材料多梁盒段的一次共固化成型，能夠保證梁板零件在組裝和固化過程中的精確定位，從而保證零件的厚度和軸線度。

2、本發明工藝操作簡單，可重複性強，縮短了製造周期，降低了製造成本，達到了減重效果。

附圖說明

圖1是剛型板示意圖。

圖2是外側軟模成型工裝示意圖。

圖3是外側軟模成型工裝製作帶剛型板外側軟模斷面圖。

圖4是帶剛型板外側軟模示意圖。

圖5是內側軟模成型工裝示意圖一。

圖6是內側軟模成型工裝示意圖二。

圖7是內側軟模成型工裝製作內側軟模斷面圖。

圖8是內側軟模示意圖。

圖9是外側軟模成型工裝製作不帶剛型板外側軟模斷面圖。

圖10是不帶剛型板外側軟模示意圖。

圖11是筋條鋪疊模示意圖。

圖12是梁模具組件定位支架示意圖。

圖13是梁模具組件與筋條的組裝示意圖一。

圖14是梁模具組件與筋條的組裝示意圖二。

圖15是梁模具組件與筋條的組裝示意圖三。

圖16是下壁板成型模示意圖。

圖17是上壁板成型模示意圖。

圖18是梁模具組件及筋條與下壁板成型模的組裝示意圖。

圖19是梁模具組件定位支架拆除示意圖。

圖20是支撐件示意圖。

圖21是梁和蒙皮共固化成型工裝示意圖。

圖22是梁和蒙皮共固化成型工裝側視圖。

圖23是a部放大圖。

附圖23中的填充區域a表示筋條坯料，b表示蒙皮坯料。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

實施例1

一種複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝，包括外側軟模成型工裝400和內側軟模成型工裝500，如圖2所示，所述外側軟模成型工裝400為一u型槽體；如圖5所示，所述內側軟模成型工裝500為一由兩個u型槽體組合而成的筒體。

如圖2所示，所述外側軟模成型工裝400的兩端設置有外側軟模限位塊410。

如圖6所示，所述內側軟模成型工裝500包括內側軟模成型工裝上模體520和內側軟模成型工裝下模體530，所述內側軟模成型工裝上模體520和內側軟模成型工裝下模體530均為u型槽體，兩者通過設置在側邊的定位塊540組合成一筒體。

如圖5所示，所述內側軟模成型工裝上模體520和內側軟模成型工裝下模體530的兩端分別設置有內側軟模限位塊510。

如圖5所示，所述內側軟模成型工裝上模體520的上部設置有內側軟模吊裝板521和內側軟模轉軸522。

如圖5所示，所述內側軟模成型工裝上模體520的兩端還設置有剛型板固定耳523。

利用上述的複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝的梁模具組件製作工藝，包括帶剛性型板的外側梁模的製作步驟：

a1.1、製作一剛型板110，所述剛型板110與其預成型的梁的輪廓相同；

a1.2、取一外側軟模成型工裝400，其槽底與所述剛型板110的輪廓相同；

a1.3、將所述剛型板110放置在所述外側軟模成型工裝400的槽底，並在所述外側軟模成型工裝400的槽壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板，且所述柔性型板與所述剛型板110的兩側分別連接；

a1.4、將剛型板110與橡膠夾預浸料柔性型板一起進行固化、再脫模處理，得到帶剛型板外側軟模120。

利用上述的複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝的梁模具組件製作工藝，包括內側梁模的製作步驟：

a2.1、製作一剛型板110，所述剛型板110與其預成型的梁的輪廓相同；

a2.2、取一內側軟模成型工裝500，其中一個u型槽體的槽底與所述剛型板110的輪廓相同；

a2.3、將所述剛型板110放置在與其輪廓相同的槽底，並在所述內側軟模成型工裝500的其餘內筒壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板，且所述柔性型板與所述剛型板110的兩側分別連接；

a2.4、將剛型板110與橡膠夾預浸料柔性型板一起進行固化、再脫模處理，得到內側軟模130。

利用上述的複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件成型工裝的梁模具組件製作工藝，包括不帶剛性型板的外側梁模的製作步驟：

a3.1、取一外側軟模成型工裝400，其槽底與其預成型的梁的輪廓相同；

a3.2、在所述外側軟模成型工裝400的槽底及槽壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板；

a3.3、將橡膠夾預浸料柔性型板進行固化、再脫模處理，得到不帶剛型板外側軟模140。

以下對各成型工裝及輔助工裝進行介紹：

複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件，包括並列設置的至少三個梁模具；相鄰的兩個梁模具，在相鄰一側均包括有用於夾持梁坯料的型板，且所述夾持梁坯料的型板中有一個為剛性，另一個為柔性。

具體地，如圖4所示，所述梁模具組件包括帶剛型板外側軟模120，所述帶剛型板外側軟模120為一u型槽體。

如圖8所示，所述梁模具組件包括內側軟模130，所述內側軟模130為一筒體。

如圖8所示，所述內側軟模130的筒體上設置有缺角結構。

所述帶剛型板外側軟模120和內側軟模130均由一剛型板100兩側連接柔性型板製成。具體地，如圖3所示，所述帶剛型板外側軟模120的柔性型板由帶剛型板外側軟模外側橡膠121和帶剛型板外側軟模內側橡膠122，中間夾帶剛型板外側軟模預浸料123組成；如圖7所示，所述內側軟模130的柔性型板由內側軟模外側橡膠131和內側軟模內側橡膠132，中間夾內側軟模預浸料133組成。

如圖3、7所示，所述剛型板110的兩側為斜面，且所述斜面朝向剛型板110的內側面。

如圖1所示，所述剛型板110的兩端均設置有固定耳111；所述剛型板110的內側面還設置有加強筋112。

所述梁模具組件包括不帶剛型板外側軟模140，所述不帶剛型板外側軟模140為一u型槽體。

所述不帶剛型板外側軟模140由柔性型板製成，如圖9所示，所述不帶剛型板外側軟模140的柔性型板由不帶剛型板外側軟模外側橡膠142和不帶剛型板外側軟模內側橡膠141，中間夾不帶剛型板外側軟模預浸料143組成。

上述預浸料層採用織物預浸料鋪疊2-3層。

複合材料多梁盒段共固化成型用梁模具組件定位支架，如圖12所示，包括兩組相對設置的定位支架300，所述定位支架300上分別設置有至少兩組位置相對的固定板330。

如圖12所示，所述定位支架300上設置有定位板，所述定位板上設置有定位銷孔。所述定位支架300由相互固定的橫梁310和豎梁320組成，所述固定板330設置在所述豎梁320上。所述橫梁310與所述豎梁320互相垂直。所述豎梁320設置有至少兩個。所述定位支架300的高度小於梁模具組件的高度。

以下對複合材料多梁盒段共固化成型工藝進行介紹，以使本領域技術人員能夠實施本發明。一種複合材料多梁盒段共固化成型工藝，包括如下步驟：

a、梁模具組件的製作步驟；

b、梁坯料的製作步驟；

c、梁模具組件與梁坯料的組裝步驟；

d、蒙皮模具組件及蒙皮坯料的製作步驟；

e、梁模具組件及梁坯料與蒙皮模具組件及蒙皮坯料的組裝步驟。

以下詳細介紹a、b、c、d、e各步驟所採用的輔助工裝及工藝方法：

a、所述梁模具組件的製作步驟包括：

a1、帶剛性型板的外側梁模的製作步驟：

a1.1、如圖1所示，製作一剛型板110，所述剛型板110與其預成型的梁的輪廓相同，其相對的兩端分別設置有固定耳111；剛型板110的外形、尺寸和孔位參數由梁零件物理特性決定；

a1.2、如圖2所示，製作一外側軟模成型工裝400，所述外側軟模成型工裝400為一u型槽體，其槽底與所述剛型板110的輪廓相同；

a1.3、如圖3所示，將所述剛型板110放置在所述外側軟模成型工裝400的槽底，並在所述外側軟模成型工裝400的槽壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板，且所述柔性型板與所述剛型板110的兩側分別連接；

a1.4、如圖4所示，將剛型板110與橡膠夾預浸料柔性型板一起進行固化、再脫模處理，得到帶剛型板外側軟模120；帶剛型板外側軟模120的型面精度和質量與零件驗收技術條件相同；此軟模用於外側型面成型；

a2、內側梁模的製作步驟：

a2.1、如圖1所示，製作一剛型板110，所述剛型板110與其預成型的梁的輪廓相同，所述剛型板110相對的兩端分別設置有固定耳111；剛型板110的外形、尺寸和孔位參數由梁零件物理特性決定；

a2.2、如圖5、6所示，製作一內側軟模成型工裝500，所述內側軟模成型工裝500為一由兩個u型槽體組合而成的筒體，其中一個u型槽體的槽底與所述剛型板110的輪廓相同；

a2.3、如圖7所示，將所述剛型板110放置在與其輪廓相同的槽底，並在所述內側軟模成型工裝500的其餘內筒壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板，且所述柔性型板與所述剛型板110的兩側分別連接；

a2.4、如圖8所示，將剛型板110與橡膠夾預浸料柔性型板一起進行固化、再脫模處理，得到內側軟模130；內側軟模130的型面精度和質量與零件驗收技術條件相同，根據需要製作相應數量即可；此軟模用於中間型面成型；

a3、不帶剛性型板的外側梁模的製作步驟：

a3.1、如圖2所示，製作一外側軟模成型工裝400，所述外側軟模成型工裝400為一u型槽體，其槽底與其預成型的梁的輪廓相同；

a3.2、如圖9所示，在所述外側軟模成型工裝400的槽底及槽壁上鋪疊橡膠夾預浸料柔性型板；

a3.3、如圖10所示，將橡膠夾預浸料柔性型板進行固化、再脫模處理，得到不帶剛型板外側軟模140；此軟模用於最外側型面成型。

其中，步驟a1、a2、a3可並行，並無先後順序限制，並行操作可提高工作效率。注意將製作好的軟模用隔離材料保護。

b、所述梁坯料的製作步驟包括：

b1、如圖11所示，製作筋條鋪疊模700，所述筋條鋪疊模700包括一與梁輪廓相同的外表面；

b2、在筋條鋪疊模700的外表面及外表面的側面鋪疊預浸料，再將預浸料取下，得到一u型槽體形狀的筋條；

b3、重複進行上述操作，製作至少四個筋條。

c、所述梁模具組件與梁坯料的組裝步驟包括：

c1、如圖12所示，製作一梁模具組件定位支架，所述梁模具組件定位支架包括兩組相對設置的定位支架300，所述定位支架300上分別設置有至少兩組位置相對的固定板330；

c2、如圖13所示，將帶剛型板外側軟模120的固定耳111安裝於所述定位支架300的最外側的一組固定板330上，且所述帶剛型板外側軟模120的槽口朝向定位支架300的外側；

c3、如圖14所示，在帶剛型板外側軟模120的外側放置筋條，且所述筋條的槽口朝向帶剛型板外側軟模120的一側；再反向放置另一筋條；

c4、如圖14所示，將內側軟模130的固定耳111安裝於下一組固定板330上，且所述內側軟模130的柔性型板一側與帶剛型板外側軟模120相鄰；

c5、如圖15所示，在內側軟模130上放置筋條，且所述筋條的槽口朝向內側軟模130的一側；再反向放置另一筋條；

c6、在筋條上放置所述不帶剛型板外側軟模140，且所述不帶剛型板外側軟模140的槽口朝向定位支架300的外側。

d、所述蒙皮模具組件及蒙皮坯料的製作步驟包括：

d1、如圖16所示，製作下壁板成型模210，並在下壁板成型模210的下蒙皮型板214上鋪裝蒙皮坯料；

d2、如圖17所示，製作上壁板成型模230，並在上壁板成型模230的上蒙皮型板235上鋪裝蒙皮坯料。

e、所述梁模具組件及梁坯料與蒙皮模具組件及蒙皮坯料的組裝步驟包括：

e1、如圖18所示，在鋪裝蒙皮坯料的下壁板成型模210上安裝定位柱150，所述定位柱150的上部設置有用於固定所述固定耳111的安裝孔，定位柱150成對設置至少兩組；

e2、如圖19所示，分別將所述帶剛型板外側軟模120和內側軟模130的固定耳111安裝於定位柱150上，再卸下定位支架300；

e3、如圖20所示，在所述下壁板成型模210上安裝支撐件220；

e4、如圖21所示，將鋪裝蒙皮坯料的上壁板成型模230安裝於所述支撐件220的另一端。

最後，將不帶剛型板外側軟模140設置在梁模具組件的最外側，也就是帶剛型板外側軟模120的相對一側；再封裝並檢查真空系統，真空度須達到-0.88bar以下，5分鐘內真空洩露不得超過0.17bar。隨即進入熱壓罐進行固化處理，在固化完成後拆卸工裝，即可從工裝上取下零件，實現脫模。

如圖22所示，梁模具組件與下壁板成型模210和上壁板成型模230共同構成坯料填充區域，即為最終梁坯料和蒙皮坯料的位置。如圖23所示，為圖22中a部放大示意圖，a為截面呈c字型的筋條，兩個筋條開口相背地組合呈一工字型的梁坯料，梁坯料與蒙皮坯料b連接，實現整體共固化成型。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。